单例模式---设计模式
7.1 我是皇帝我獨(dú)苗
???? 自從秦始皇確立了皇帝這個位置以后，同一時(shí)期基本上就只有一個人孤零零的坐這個位置。這種情況下臣民們也好處理，大家叩拜、談?wù)摰臅r(shí)候只要提及皇帝，每個人都知道指的是誰，而不用在皇帝前前面加上特定的稱呼，如張皇帝，李皇帝。這一個過程反應(yīng)到設(shè)計(jì)領(lǐng)域就是，要求一個類只能生成一個對象（皇帝），所有對象對它的依賴都是相同的，因?yàn)橹挥幸粋€對象，大家對它的脾氣和習(xí)性都非常了解，建立健壯穩(wěn)固的關(guān)系，我們把皇帝這種特殊職業(yè)通過程序來實(shí)現(xiàn)。?
???? 皇帝每天要出朝接待臣子，處理政務(wù)，臣子每天要叩拜皇帝，皇帝只能有一個，也就是一個類只能產(chǎn)生一個對象，該怎么實(shí)現(xiàn)呢？對象產(chǎn)生是通過new關(guān)鍵字完成的（當(dāng)然也有其他方式，比如對象拷貝、反射等），這個怎么控制呀，但是大家別忘記了構(gòu)造函數(shù)，使用new關(guān)鍵字創(chuàng)建對象時(shí)，都會根據(jù)輸入的參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的構(gòu)造函數(shù)，如果我們把構(gòu)造函數(shù)設(shè)置為private私有訪問權(quán)限不就不可以創(chuàng)建對象了嗎？說干就干，臣子叩拜唯一皇帝的過程如類圖7-1所示。?
圖7-1 大臣參拜皇帝類圖?
???? 只有兩個類，Emperor代表皇帝類，Minister代表大臣類，關(guān)聯(lián)到皇帝類非常簡單。Emperor如代碼清單7-1所示。?
代碼清單7-1 皇帝類
| 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | public class Emperor { private static final Emperor emperor =new Emperor(); //初始化一個皇帝 private Emperor(){ //世俗和道德約束你，目的就是不希望產(chǎn)生第二個皇帝 } public static Emperor getInstance(){ return emperor; } ? //皇帝發(fā)話了 public static void say(){ System.out.println("我就是皇帝某某某...."); } } |
???? 通過定義一個私有訪問權(quán)限的構(gòu)造函數(shù)，避免被其他類new出來一個對象，而Emperor自己則可以new一個對象出來，其他類對該類的訪問都可以通過getInstance獲得同一個對象。
???? 皇帝有了，臣子要出場，其類如代碼清單7-2所示。
代碼清單7-2 臣子類
publicclass Minister { publicstaticvoid main(String[] args) { for(int day=0;day<3;day++){ Emperor emperor=Emperor.getInstance(); emperor.say(); } //三天見的皇帝都是同一個人，榮幸吧！ } }臣子參拜皇帝的運(yùn)行結(jié)果如下所示：
我就是皇帝某某某....
我就是皇帝某某某....
我就是皇帝某某某....
???? 臣子天天要上朝參見皇帝，今天參拜的皇帝應(yīng)該和昨天、前天的一樣（過渡期的不考慮，別找茬哦），大臣磕完頭，抬頭一看，嗨，還是昨天那個皇帝，老熟人了，容易講話，這就是單例模式。
7.2 單例模式的定義
???? 單例模式（Singleton Pattern）是一個比較簡單的模式，其定義如下：
???? Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it. 確保某一個類只有一個實(shí)例，而且自行實(shí)例化并向整個系統(tǒng)提供這個實(shí)例。
???? 單例模式的通用類圖如圖7-2所示。
圖7-2 單例模式通用類圖
???? Singleton類稱為單例類，通過使用private的構(gòu)造函數(shù)，確保了在一個應(yīng)用中只產(chǎn)生一個實(shí)例，并且是自行實(shí)例化的（在Singleton中自己使用new Singleton()）。單例模式的通用源代碼如代碼清單7-3所示。
代碼清單7-3 單例模式通用代碼
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 | public class Singleton { private static final Singleton singleton = new Singleton(); //限制產(chǎn)生多個對象 private Singleton(){ } ? //通過該方法獲得實(shí)例對象 public static Singleton getSingleton(){ return singleton; ? } ? //類中其他方法，盡量是static public static void doSomething(){ } } |
7.3 單例模式應(yīng)用
1. 單例模式的優(yōu)點(diǎn)
- 由于單例模式在內(nèi)存中只有一個實(shí)例，減少了內(nèi)存開支，特別是一個對象需要頻繁的被創(chuàng)建、銷毀，而且創(chuàng)建或銷毀時(shí)性能又無法優(yōu)化，單例模式的優(yōu)勢就非常明顯；
- 由于單例模式只生成一個實(shí)例，減少了系統(tǒng)性能開銷，當(dāng)一個對象的產(chǎn)生需要比較多的資源時(shí)，如讀取配置、產(chǎn)生其他依賴對象時(shí)，則可以通過在應(yīng)用啟動時(shí)直接產(chǎn)生一個單例對象，然后永久駐留內(nèi)存的方式來解決（在Java EE中采用單例模式時(shí)需要注意JVM垃圾回收機(jī)制）；
- 單例模式可以避免對資源的多重占用，例如一個寫文件動作，由于只有一個實(shí)例存在內(nèi)存中，避免對同一個資源文件的同時(shí)寫操作。
- 單例模式可以在系統(tǒng)設(shè)置全局的訪問點(diǎn)，優(yōu)化環(huán)共享資源訪問，例如可以設(shè)計(jì)一個單例類，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)表的映射處理。
2. 單例模式的缺點(diǎn)
- 單例模式?jīng)]有接口，擴(kuò)展很困難，若要擴(kuò)展，除了修改代碼沒有第二種途徑可以實(shí)現(xiàn)。單例模式為什么不能增加接口呢？因?yàn)榻涌趯卫Ｊ绞菦]有任何的意義，它要求“自行實(shí)例化”，并且提供單一實(shí)例、接口或抽象類是不可能被實(shí)例化的。
- 單例模式對測試是不利的。在并行開發(fā)環(huán)境中，如果單例模式?jīng)]有完成，是不能進(jìn)行測試的，沒有接口也不能使用mock的方式虛擬一個對象。
- 單例模式與單一職責(zé)原則有沖突。一個類應(yīng)該只實(shí)現(xiàn)一個的邏輯，而不關(guān)心它是否是單例的，決定它是不是要單例是環(huán)境決定的，單例模式把“要單例”和業(yè)務(wù)邏輯融合也在一個類中。
3. 單例模式的使用場景
???? 在一個系統(tǒng)中，要求一個類有且僅有一個對象，如果出現(xiàn)多個對象就會出現(xiàn)“不良反應(yīng)”時(shí)，則可以采用單例模式，具體的場景如下：
- 要求生成唯一序列號的環(huán)境；
- 在整個項(xiàng)目中需要有訪問一個共享訪問點(diǎn)或共享數(shù)據(jù)，例如一個Web頁面上的計(jì)數(shù)器，可以不用每次刷新都記錄到數(shù)據(jù)庫中，使用單例模式保持計(jì)數(shù)器的值，并確保是線程安全的；
- 創(chuàng)建一個對象需要消耗的資源過多，如要訪問IO、訪問數(shù)據(jù)庫等資源；
- 需要定義大量的靜態(tài)常量和靜態(tài)方法（如工具類）的環(huán)境，可以采用單例模式（當(dāng)然，也可以直接聲明為static的方式）；
4. 單例模式的注意事項(xiàng)
???? 首先，在高并發(fā)情況下，請注意單例模式的線程同步問題。單例模式有幾種不同的實(shí)現(xiàn)方式，上面的例子不會出現(xiàn)產(chǎn)生多個實(shí)例的情況，但是代碼清單7-4所示的單例模式就需要考慮線程同步。
代碼清單7-4 線程不安全的單例
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 | public class Singleton { ? private static Singleton singleton = null; ? //限制產(chǎn)生多個對象 ? private Singleton(){ ? } ? //通過該方法獲得實(shí)例對象 ? public static Singleton getSingleton(){ ? if(singleton == null){ ? singleton = new Singleton(); ? } ? return singleton; ? } ? } |
???? 該單例模式在較低的并發(fā)情況下尚不會出現(xiàn)問題，若系統(tǒng)壓力增大，并發(fā)量增加時(shí)則可能在內(nèi)存中出現(xiàn)多個實(shí)例，破壞了最初的預(yù)期。為什么會出現(xiàn)這種情況呢？如一個線程A執(zhí)行到singleton = new Singleton()，但還沒有獲得對象（對象初始化是需要時(shí)間的），第二個線程B也在執(zhí)行，執(zhí)行到(singleton == null)判斷，那么B線程獲得判斷條件也是為真，于是繼續(xù)運(yùn)行下去，A線程獲得了一個對象，B線程也獲得了一個對象，在內(nèi)存中就出現(xiàn)兩個對象！
???? 解決線程不安全的方法很有多，可以在getSingleton方法前加synchronized關(guān)鍵字，也可以在getSingleton方法內(nèi)增加synchronized來實(shí)現(xiàn)，但都不是最優(yōu)秀的單例模式，建議讀者使用代碼清單7-3所示的方式。
???? 其次，需要考慮對象的拷貝情況。在Java中，對象默認(rèn)是不可以被拷貝的，若實(shí)現(xiàn)了Cloneable接口，并實(shí)現(xiàn)了clone方法，則可以直接通過對象拷貝方式創(chuàng)建一個新對象，對象拷貝是不用調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)，因此即使是私有的構(gòu)造函數(shù)，對象仍然可以被拷貝。在一般情況下，類拷貝的情況不需要考慮，很少會出現(xiàn)一個單例類會主動要求被拷貝的情況，解決該問題的最好方法就是單例類不要實(shí)現(xiàn)Cloneable接口。
7.4 單例模式的擴(kuò)展
???? 如果一個類可以產(chǎn)生多個對象，對象的數(shù)量不受限制，則是非常容易實(shí)現(xiàn)的，直接使用new關(guān)鍵字就可以了，如果只要有一個對象，使用單例模式就可以了，但是如果要求一個類只能產(chǎn)生兩個、三個對象呢？該怎么實(shí)現(xiàn)呢？我們還以皇帝為例來說明。
???? 一般情況下，一個朝代的同一個時(shí)代只有一個皇帝，那有沒有出現(xiàn)兩個皇帝的情況呢？確實(shí)有，就出現(xiàn)在明朝，那三國期間的算不算，不算，各自稱帝，各有各的地盤，國號不同。大家還記得《石灰吟》這首詩嗎？作者是誰？于謙。他是被誰殺死的？明英宗朱祁鎮(zhèn)。對，就是那個在土木堡之變中被瓦刺俘虜?shù)幕实?#xff0c;被俘虜后，他弟弟朱祁鈺當(dāng)上了皇帝，就是明景帝，估計(jì)剛當(dāng)上皇帝樂瘋了，忘記把他哥哥朱祁鎮(zhèn)升級為太上皇，在那個時(shí)期就出現(xiàn)了兩個皇帝，這期間的的大臣是非常郁悶的，為什么呀？因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)今天參拜的皇帝和昨天的皇帝不相同，昨天給一個皇帝匯報(bào)，今天還要給這個皇帝匯報(bào)一遍，該情況的類圖如圖7-3所示。
圖7-3 多個皇帝類圖
???? 類圖看起來還是簡單，但是實(shí)現(xiàn)就有點(diǎn)復(fù)雜了。Emperor類如代碼清單7-5所示。
代碼清單7-5 固定數(shù)量的皇帝類
?| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 | public class Emperor { ? //定義最多能產(chǎn)生的實(shí)例數(shù)量 ? private static int maxNumOfEmperor = 2; ? //每個皇帝都有名字，使用一個ArrayList來容納，每個對象的私有屬性 ? private static ArrayList<String> nameList=new ArrayList<String>(); ? //定義一個列表，容納所有的皇帝實(shí)例 ? private static ArrayList<Emperor> emperorList=new ArrayList<Emperor>(); ? //當(dāng)前皇帝序列號 ? private static int countNumOfEmperor =0; ? //產(chǎn)生所有的對象 ? static{ ? for(int i=0;i<maxNumOfEmperor;i++){ ? emperorList.add(new Emperor("皇"+(i+1)+"帝")); ? } ? } ? private Emperor(){ ? //世俗和道德約束你，目的就是不產(chǎn)生第二個皇帝 ? } ? //傳入皇帝名稱，建立一個皇帝對象 ? private Emperor(String name){ ? nameList.add(name); ? } ? //隨機(jī)獲得一個皇帝對象 ? public static Emperor getInstance(){ ? Random random = new Random(); ? countNumOfEmperor = random.nextInt(maxNumOfEmperor); //隨機(jī)拉出一個皇帝，只要是個精神領(lǐng)袖就成 ? return emperorList.get(countNumOfEmperor); ? } ? //皇帝發(fā)話了 ? public static void say(){ ? System.out.println(nameList.get(countNumOfEmperor)); ? } ? } |
???? 在Emperor中使用了兩個ArrayList分別存儲實(shí)例和實(shí)例變量，當(dāng)然，如果考慮到線程安全問題可以使用Vector來代替。臣子參拜皇帝過程如代碼清單7-6所示。
代碼清單7-6 臣子參拜皇帝的過程代碼
?| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 | public class Minister { ? public static void main(String[] args) { ? //定義5個大臣 ? int ministerNum =5; ? for(int i=0;i<ministerNum;i++){ ? Emperor emperor = Emperor.getInstance(); ? System.out.print("第"+(i+1)+"個大臣參拜的是："); ? emperor.say(); ? } ? } ? } |
大臣參拜皇帝的結(jié)果如下所示：
第1個大臣參拜的是：皇1帝
第2個大臣參拜的是：皇2帝
第3個大臣參拜的是：皇1帝
第4個大臣參拜的是：皇1帝
第5個大臣參拜的是：皇2帝
???? 看，果然每個大臣參拜的皇帝都可能不一樣，大臣們就開始糊涂了，A大臣給皇1帝匯報(bào)了一件事情，皇2帝不知道，然后就開始懷疑大臣A是皇1帝的親信，然后就想辦法開始整……。
???? 這種需要產(chǎn)生固定數(shù)量對象的模式就叫做有上限的多例模式，它是單例模式的一種擴(kuò)展，采用有上限的多例模式，我們可以在設(shè)計(jì)時(shí)決定在內(nèi)存中有多少個實(shí)例，方便系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，修正單例可能存在的性能問題，提供系統(tǒng)的響應(yīng)速度。例如讀取文件，我們可以在系統(tǒng)啟動時(shí)完成初始化工作，在內(nèi)存中啟動固定數(shù)量的reader實(shí)例，然后在需要讀取文件時(shí)就可以快速響應(yīng)。
7.5 最佳實(shí)踐
???? 單例模式是23個模式中比較簡單的模式，應(yīng)用也非常廣泛，如在Spring中，每個Bean默認(rèn)就是單例的，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是Spring容器可以管理這些Bean的生命期，決定什么時(shí)候創(chuàng)建出來，什么時(shí)候銷毀，銷毀的時(shí)候要如何處理，等等。如果采用非單例模式（Prototype類型），則Bean初始化后的管理則交由J2EE容器，Spring容器不再跟蹤管理Bean的生命周期。
???? 使用單例模式需要注意的一點(diǎn)就是JVM的垃圾回收機(jī)制，如果我們的一個單例模式在內(nèi)存中長久不使用，JVM就認(rèn)為這個對象是一個垃圾，在CPU資源空閑的情況下該對象會被清理掉，下次再調(diào)用時(shí)就需要重新產(chǎn)生一個對象。如果我們在應(yīng)用中使用單例類作為有狀態(tài)值（如計(jì)數(shù)器）的管理，則會出現(xiàn)回復(fù)原狀的情況，應(yīng)用就會出現(xiàn)故障。如果確實(shí)需要采用單例模式來記錄有狀態(tài)的值，有兩種辦法可以解決該問題：
- 由容器管理單例的生命周期
???? Java EE容器或者框架級容器，如Spring，可以讓對象長久駐留內(nèi)存。當(dāng)然，自行通過管理對象的生命期也是一個可行的辦法，既然有那么多的工具提供給我們，為什么不用呢？
- 狀態(tài)隨時(shí)記錄
???? 可以使用異步記錄的方式，或者使用觀察者模式，記錄狀態(tài)的變化，寫入文件或?qū)懭霐?shù)據(jù)庫中，確保即使單例對象重新初始化也可以從資源環(huán)境獲得銷毀前的數(shù)據(jù)，避免應(yīng)用數(shù)據(jù)丟失。
參考鏈接：http://www.cnblogs.com/cbf4life/articles/1622424.html
轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/followyourdream/p/3368291.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的单例模式---设计模式的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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